車載導(dǎo)航系統(tǒng)終端的研究

 引言

面對(duì)龐大的汽車市場(chǎng)以及隨著全國(guó)各省市高速公路路網(wǎng)的建設(shè)與完善，對(duì)交通管理信息化的要求越來越高，gps車載系統(tǒng)的潛力不可估量，其發(fā)展前景比較樂觀。日本和西方各大公司都參與了這場(chǎng)高科技的角逐。各發(fā)達(dá)國(guó)家的很多生產(chǎn)商都加快了車載導(dǎo)航系統(tǒng)的研究步伐。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，很多資源不足的瓶頸問題都很大程度上得到了解決。車載定位系統(tǒng)由車載定位終端、無線通信鏈路和車載監(jiān)控管理系統(tǒng)三部分組成。其主要功能是將移動(dòng)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)位置(經(jīng)度和緯度)、時(shí)間和海拔等對(duì)用戶有用的信息，通過無線通信鏈路傳送到監(jiān)控中心，而后在電子地圖上對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行顯示，并對(duì)車輛的準(zhǔn)確位置、速度、運(yùn)動(dòng)方向和車輛狀態(tài)等用戶感興趣的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和查詢，為調(diào)度管理提供可視化依據(jù)，提高車輛運(yùn)行效率，還能起到節(jié)能減排的作用。也在一定程度上起到保護(hù)地球的作用。本文將gps定位技術(shù)應(yīng)用于氣車，與現(xiàn)有定位技術(shù)組合起來共同完成定位監(jiān)控任務(wù)，將大大提高定位準(zhǔn)確性及安全性，同時(shí)能夠降低資金投入，具有很廣闊的發(fā)展空間。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車輛監(jiān)控系統(tǒng)由車載端(包括arm工控機(jī)、觸摸屏、gps接收模塊和電源等)、通信系統(tǒng)(gprs)、監(jiān)控中心三大部分組成。車載端的gps模塊實(shí)時(shí)接收全球定位衛(wèi)星的位置、時(shí)間等數(shù)據(jù)，一方面發(fā)送給車內(nèi)的arm微型工控機(jī)，得到車輛的當(dāng)前位置并且在電子地圖上顯示：另一方面，數(shù)據(jù)將通過gprs終端模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心服務(wù)器，使得監(jiān)控中心能實(shí)時(shí)得到所有車輛的位置信息，給車輛的安全監(jiān)控以及遠(yuǎn)程凋度提供了基礎(chǔ)。通過spi接口與can總線相連，利用can總線掛接傳感器，檢測(cè)汽車主要技術(shù)參數(shù)，can總線模塊可以使本系統(tǒng)與其他車載模塊的連接，完成收集車輛的狀態(tài)信息以及進(jìn)一步控制。can總線模塊主要包括can總線的控制器和收發(fā)器，在這里分別選用的是microchip公司的mcp2510和飛利浦公司的pca82c250。其中，can總線控制器mcp2510實(shí)現(xiàn)了can總線的協(xié)議，can總線收發(fā)器pca82c250提供協(xié)議控制器和物理傳輸線路之間的接口。由于can總線控制器mcp2510具有spi接口，因此，系統(tǒng)中將其與s3c2440的spi0相連。故障檢測(cè)模塊主要是對(duì)汽車的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并顯示到lcd顯示器上，如果檢測(cè)到故障，會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。本文主要檢測(cè)的技術(shù)參數(shù)包括燃油消耗量、制動(dòng)力、轉(zhuǎn)向力、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、冷卻液溫度、前照燈，以及車內(nèi)噪聲和尾氣等方面。該模塊主要是通過各種傳感器把各種信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再利用信號(hào)處理電路把電信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，使其能與can總線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。車載端的硬件組成框圖，如圖1所示。

圖1 車載端的硬件組成框圖

應(yīng)用程序總結(jié)構(gòu)

應(yīng)用程序的總體流程圖如圖2所示。由于gprs模塊和gps模塊都是通過串口和監(jiān)控終端連接的，程序系統(tǒng)初始化的工作就是對(duì)串口進(jìn)行初始化，使串口按gprs及gps模塊的要求工作。之后創(chuàng)建共享內(nèi)存是為gprs通信子進(jìn)程與gps子進(jìn)程之間的通信做準(zhǔn)備。gps子進(jìn)程負(fù)責(zé)從串口接收gps信息并把這些信息寫入共享內(nèi)存內(nèi)，gprs子進(jìn)程則將共享內(nèi)存內(nèi)的gps信息通過網(wǎng)絡(luò)送到遠(yuǎn)方的監(jiān)控服務(wù)器。

gps驅(qū)動(dòng)程序的編寫

為了使arm上的應(yīng)用程序能夠處理gps接收到的導(dǎo)航信號(hào)，要編寫gps的驅(qū)動(dòng)程序。

這個(gè)gps驅(qū)動(dòng)程序也是屬于字符型驅(qū)動(dòng)程序，首先了解嵌入式開發(fā)中應(yīng)用程序、庫、內(nèi)核、驅(qū)動(dòng)程序的關(guān)系：應(yīng)用程序調(diào)用應(yīng)用程序庫函數(shù)完成功能;應(yīng)用程序以文件形式訪問各種資源;應(yīng)用程序函數(shù)庫的一部分直接完成功能，一部分函數(shù)通過系統(tǒng)調(diào)用由內(nèi)核完成，內(nèi)核處理系統(tǒng)調(diào)用，調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序直接與硬件通信。如圖3所示

一般linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)有三種類型，字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。而我要講的gps模塊的驅(qū)動(dòng)程序是屬于字符設(shè)備。對(duì)于字符設(shè)備發(fā)出讀/寫請(qǐng)求時(shí)，實(shí)際的硬件i/o操作一般緊接著發(fā)生。在設(shè)備管理中，除了設(shè)備類型外，內(nèi)核還需要一對(duì)被稱為主從設(shè)備號(hào)的參數(shù)，才能唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)設(shè)備。主設(shè)備號(hào)相同的設(shè)備使用相同的驅(qū)動(dòng)程序，從設(shè)備號(hào)用于區(qū)分具體設(shè)備的實(shí)例。用命令cat/proc/devices可以查看系統(tǒng)中所有設(shè)備對(duì)應(yīng)的主設(shè)備號(hào)。所以在gps驅(qū)動(dòng)程序的開始定義設(shè)備名稱#define device_name “s3c2440-gps”再定義主設(shè)備號(hào)，我是讓系統(tǒng)自動(dòng)分配的，以防主設(shè)備號(hào)已被占用，static int gps_major=0;驅(qū)動(dòng)程序以一個(gè)模塊初始化函數(shù)作為入口，如module_init(s3c2440_gps_init)向內(nèi)核聲明當(dāng)前模塊的初始化函數(shù);再寫gps的初始化函數(shù)：static int __init s3c2440_gps_init(void)函數(shù)，在這個(gè)函數(shù)里面注冊(cè)一個(gè)設(shè)備，返回主設(shè)備號(hào)，可以寫成：gps_major=register_chrdev(0，device _name，&s3c2440_gps_fops)，s3c2440_gps_fops是定義了的結(jié)構(gòu)體，規(guī)定了驅(qū)動(dòng)程序向應(yīng)用程序提供的操作接口。如：static struct file_operations s3c2440_gps _fops ={.owner= this_module，。

open= s3c2440_gps_open，.release= s3c2440_gps_release=s3c2440_gps_release， .ioctl=s3c2440_gps_ioctl};繼續(xù)向下寫，gps_class=class_create(this_module，device_name);在/sysfs目錄下創(chuàng)建這個(gè)設(shè)備的類。再是注冊(cè)這個(gè)設(shè)備的類，如device_create(gps_class，null，mkdev(gps_major，0)，null，device_name)。

gps應(yīng)用程序即定位功能的實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)gps的定位必須先要對(duì)gps數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，gps上電后，每隔一定的時(shí)間就會(huì)返回一定格式的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為$信息類型，每行開頭的字符都是$，接著是信息類型，后面的是數(shù)據(jù)，以逗號(hào)分開，完整的數(shù)據(jù)類型如下：$gprmc，080655.00，a，4546.40891，n，12639.65641，e，1.045，328.42，170809，，，a*60信息類型為：gpgsv：可見衛(wèi)星信息、gpgll：地理定位信息、gprmc：推薦最小定位信息、gpvtg：地面速度信息、gpgga：gps定位信息、gpgsa：當(dāng)前衛(wèi)星信息、這里我只解析gprmc和gpgga的信息。一.gprmc數(shù)據(jù)詳解：$gprmc，《1》，《2》，《3》，《4》，《5》，《6》，《7》，《8》，《9》，《10》，《11》，《12》*hh《1》utc時(shí)間，hhmmss(時(shí)分秒)格式《2》定位狀態(tài)，a=有效定位，v=無效定位《3》緯度ddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸)《4》緯度半球n(北半球)或s(南半球)《5》經(jīng)度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸)《6》經(jīng)度半球e(東經(jīng))或w(西經(jīng))……。[!--empirenews.page--]

最后編寫代碼，把經(jīng)/緯度解析出來，對(duì)于gpgga類型數(shù)據(jù)，也是一樣，先了解每一位的含義，再寫代碼把海平面高度和大地水平面高度等數(shù)據(jù)解析并顯示出來。

gprs通信模塊實(shí)現(xiàn)

gprs模塊是借助gprs無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，從而在不同的車輛或車輛與控制中心之間架起溝通的橋梁，所以軟件的功能主要是建立無線連接，按照gprs通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。gprs模塊的通信主要是通過串口驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，在嵌入式linux內(nèi)核中已經(jīng)提供了對(duì)串設(shè)備的支持，因此在配置內(nèi)核編譯選項(xiàng)時(shí)，只需要選中對(duì)串口設(shè)備的支持，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)gprs模塊的串口數(shù)據(jù)通信功能。為了實(shí)現(xiàn)與internet的通信，還需要在配置內(nèi)核編譯選項(xiàng)時(shí)選中ppp和tcp/ip協(xié)議。這樣一旦網(wǎng)絡(luò)連接建立，就可以使用應(yīng)用程序來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的通信。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路層采用ppp協(xié)議，它是一種面向字符的協(xié)議，是為在兩個(gè)對(duì)等實(shí)體間傳輸數(shù)據(jù)包連接而設(shè)計(jì)的，使用可擴(kuò)展的鏈路控制協(xié)議lcp來建立、配置和測(cè)試數(shù)據(jù)鏈路。用網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議族ncp來建立和配置不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，并且允許采用多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。一個(gè)ppp會(huì)話分四個(gè)步驟：建立連接、連接質(zhì)量控制、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議配置和連接終止。

嵌入式linux系統(tǒng)內(nèi)核源自于linux內(nèi)核，并保留了對(duì)tcp/ip以及其他的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持。在嵌入式linux系統(tǒng)上編寫網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序與在linux上編寫網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序沒什么大區(qū)別，通常只需要做很小的修改就可以移植到嵌入式linux系統(tǒng)上。至此，gprs模塊完整地集成到嵌入式終端中。

can模塊實(shí)現(xiàn)

can總線驅(qū)動(dòng)程序要完成的報(bào)文發(fā)送、接收等任務(wù)都是圍繞can總線控制器展開的，因此驅(qū)動(dòng)程序主要是對(duì)控制器mcp2510內(nèi)部寄存器進(jìn)行操作。can總線控制器mcp2510的初始化按照以下步驟進(jìn)行：(1)軟件復(fù)位，進(jìn)入配置模式;(2)設(shè)置can總線波特率;(3)關(guān)閉中斷，設(shè)置id過濾器;(4)切換mcp2510到正常狀態(tài);(5)清空接收和發(fā)送緩沖區(qū);(6)開啟接收緩沖區(qū)，開啟中斷。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果能達(dá)到基本的要求，參見圖4，圖的右上角是經(jīng)/緯度。本系統(tǒng)還不完善，還有很多實(shí)用的功能有待進(jìn)一步開發(fā)。

結(jié)論

該系統(tǒng)能夠通過gps和gprs實(shí)現(xiàn)車輛定位以及車輛與控制中心之間的數(shù)據(jù)通信，還能夠通過can總線檢測(cè)汽車主要技術(shù)參數(shù)，為交通道路的智能管理以及汽車的安全駕駛提供了可靠保